Una cadena diseñada de perlas de un micrón de ancho puede tomar la holgura donde el modelado por computadora falla a los investigadores que estudian la flexión, plegamiento y otros movimientos de polímeros o biomoléculas como actina y ADN.

La ingeniera química y biomolecular de la Universidad de Rice, Sibani Lisa Biswal, y sus estudiantes, el autor principal Steve Kuei, un estudiante graduado, y el coautor Burke Garza, un estudiante de pregrado creó cadenas de perlas de poliestireno mejoradas con hierro para magnetizarlas y con estreptavidina, una proteína natural que sirve como un conector elástico entre ellos.

Colocaron las cuerdas en soluciones y las manipularon con un campo magnético giratorio. Algunas hebras se hicieron rígidas, algunos un poco flexibles y otros mucho más flexibles. Aplicando una fuerza magnética exterior, los investigadores pudieron ver cómo reaccionaba cada tipo de cuerda y compararon los resultados con modelos informáticos de cuerdas que tenían las mismas propiedades.

Biswal dijo que la nueva plataforma permite a los investigadores estudiar cómo se comportan las cadenas de varios tipos en condiciones dinámicas de una manera escalable que no es posible con simulaciones debido al alto costo computacional. Podría beneficiar a los investigadores que estudian proteínas, ADN y ARN en sistemas biológicos o aquellos que estudian las propiedades fluidas de los polímeros que se entrelazan para crear geles o el orden y densidad de empaquetamiento de los cristales líquidos.

"Veo que la gente usa esto para estudiar los aspectos prácticos de la construcción, decir, micro robots con colas meneando, o robots que puedan enrollarse, "Dijo Biswal. Debido a que la técnica podría modelar el movimiento flagelar en un ambiente fluido, también podría ayudar a hacer posibles los organismos artificiales, ella dijo.

La investigación aparece en la revista American Physical Society Fluidos de revisión física .

El equipo de Rice sabía que ya había mucha información disponible sobre cuerdas rígidas y flexibles, filamentos y fibras y cómo se mueven debido al movimiento browniano o en respuesta al cizallamiento u otras fuerzas. Pero había muy pocos datos sobre fibras semiflexibles como la actina, nanotubos de carbono y cilios.

"Hay mucho interés en los materiales que se pliegan en geometrías complejas, pero incluso cosas simples como hacer un nudo en la macroescala son muy difíciles en la microescala, "Dijo Biswal." Así que desarrollamos un método para permitirnos ver las fuerzas dinámicas involucradas. La capacidad de diseñar diferentes flexibilidades en este material es su verdadero poder ".

Las cuerdas aisladas en líquido se pueden agitar o remover, pero el equipo de Rice construyó un dispositivo para rotar el campo magnético que tocaba cada cuenta con una fuerza suave. Observaron cuerdas que reaccionaban de diferentes maneras según el nivel de flexibilidad y / o elasticidad incorporadas.

Las varillas rígidas simplemente giraban en concierto con el campo magnético. Aquellos con un poco más de flexibilidad "movieron" la cola en el campo en movimiento, y los centros girarían a medida que las colas se relajaran. Las cuerdas más largas y flexibles eran propensas a enrollarse, eventualmente compactando en una forma con menos arrastre que les permitió comportarse como sus hermanos rígidos.

"La mayoría de las veces, las cadenas tienen una estructura abierta hasta que enciendes el campo giratorio y se arrugan, "Dijo Biswal." Eso cambia las propiedades de los fluidos subyacentes, porque pasan de ocupar mucho espacio a ocupar muy poco. Un fluido con cuerdas puede pasar de comportarse como la miel a comportarse como el agua ".

Dichos efectos no se pueden ver directamente con proteínas que son varios órdenes de magnitud más pequeñas y, sin embargo, tienen demasiadas perlas (los residuos) para simular su plegamiento fácilmente. Dijo Biswal.

"Ha habido algunos trabajos con ADN marcado con fluorescencia y otras biopelículas como la actina, pero no pueden obtener esa resolución de cordón a cordón que podemos con nuestro método, ", dijo." De hecho, podemos ver las posiciones de todas nuestras partículas ".

Las cadenas del estudio actual tenían hasta 70 cuentas. Los investigadores planean hacer cadenas de hasta 1, 000 perlas para estudios futuros sobre dinámicas de plegado más complicadas.